[论文解读] The origin of carbon, investigated by spectral analysis of solar-type stars in the Galactic Disk

B. Gustafsson, Torgny Karlsson+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 1998

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 17

一句话总结

本研究利用对[ C I ] 8727 Å禁线的分析，测定了80颗太阳型恒星在银河系盘中的碳丰度，该禁线相比其他碳丰度指标受大气效应的影响更小。研究发现，[C/Fe]随金属度升高而下降（斜率为−0.17 ± 0.03），强烈支持大质量恒星（尤其是其沃尔夫-拉叶阶段）是银河系中碳的主要来源，同时质疑了低质量和中等质量恒星在碳生成中的重要性。

ABSTRACT

Abundance analysis of carbon has been performed in a sample of 80 late F and early G type dwarf stars in the metallicity range -1.06 < [Fe/H] < 0.26 using the forbidden [C I] line at 8727 A. This line is presumably less sensitive to temperature, atmospheric structure and departures from LTE than alternative carbon criteria. We find that [C/Fe] decreases slowly with increasing [Fe/H] with an overall slope of -0.17 +- 0.03. Our results are consistent with carbon enrichment by superwinds of metal-rich massive stars but inconsistent with a main origin of carbon in low-mass stars. This follows in particular from a comparison between the relation of [C/O] with metallicity for the Galactic stars and the corresponding relation observed for dwarf irregular galaxies. The significance of intermediate-mass stars for the production of carbon in the Galaxy is still somewhat unclear.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于银河系盘中碳的主要恒星来源的不确定性。
• 通过将观测到的丰度趋势与理论预期进行比较，检验低质量、中等质量或大质量恒星是否主要负责碳的富集。
• 使用一种稳健且对大气效应不敏感的碳丰度指标——[C I] 8727 Å——以提高金属贫乏至金属丰富的恒星中碳丰度测定的准确性。
• 将银河系盘中的[C/O]–[O/H]关系与矮不规则星系中的关系进行比较，为核合成起源提供独立的实证检验。
• 解决理论产出与行星状星云中观测到的碳丰度之间的差异，特别是银河系中[ C/O ]趋势不明显陡峭，而低金属度系统中则明显陡峭的问题。

提出的方法

• 使用欧洲南方天文台1.4米CAT望远镜和库德衍射光栅光谱仪（CES）配合长焦距相机，对87颗南天恒星进行高分辨率、高信噪比（S/N > 200）的光谱观测。
• 目标选择聚焦于光谱型为晚型F至早型G的主序星，金属度范围为[Fe/H] = −1.06 至 +0.26。
• [C I] 8727 Å线被用作主要的碳丰度指标，因其相比其他碳线对温度结构和非局部热动平衡（non-LTE）效应的敏感性更低。
• 丰度分析采用模型大气和光谱合成方法，特别关注轮廓拟合与不确定度估计。
• [C/Fe]和[C/O]比值分别作为[Fe/H]和[O/H]的函数被推导出来，并与矮不规则星系中的趋势进行比较。
• 通过将银河系盘的趋势与低金属度矮不规则星系中观测到的[C/O]–[O/H]关系进行实证比较，推断主导碳生成的恒星群体。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系盘中碳的主要恒星来源是什么？是否与大质量恒星、中等质量恒星或低质量恒星一致？
• RQ2 在太阳型恒星中，[C/Fe]比值如何随金属度变化？这对我们理解碳富集的时间和机制有何启示？
• RQ3 为何银河系盘中观测到的[C/O]–[O/H]趋势与矮不规则星系中的趋势不同？这对碳的核合成起源有何启示？
• RQ4 行星状星云在银河系碳预算中的贡献程度如何？为何其观测到的碳丰度未反映在盘的整体[C/O]趋势中？
• RQ5 [C I] 8727 Å线能否作为金属贫乏恒星中碳丰度的可靠、对大气不敏感的替代指标？

主要发现

• [C/Fe]比值随金属度升高而下降，斜率为−0.17 ± 0.03 dex每单位[Fe/H]，表明在更高金属度下，碳相对于铁的增强程度降低。
• 银河系盘中观测到的[C/O]–[O/H]趋势与矮不规则星系中观测到的趋势高度一致，支持大质量恒星（尤其是其沃尔夫-拉叶阶段）是碳的主要来源的假设。
• 结果与碳主要由低质量恒星产生的假设不一致，因为后者会预测比观测到的更陡峭的[C/O]随金属度上升趋势。
• 观测到的[C/O]趋势与大质量恒星在辐射驱动风阶段（特别是沃尔夫-拉叶阶段）的碳产出一致。
• 行星状星云中推断出的高碳产出与盘中观测到的低[C/Fe]之间的差异表明，低质量和中等质量恒星的碳产出可能具有金属度依赖性，这与当前模型相反。
• 本研究强调了对不同金属度下沃尔夫-拉叶星、碳星和行星状星云进行系统性、多元素丰度研究的必要性，以改进经验产出值。